梯級(jí)筑壩下小型山區(qū)河流水體碳氮磷的時(shí)空特征及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)*

闕子億，王曉鋒，袁興中，吳勝男，余樂(lè)樂(lè)，李 航，張媛媛，王繼龍

(1：長(zhǎng)江上游濕地科學(xué)研究重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331) (2：三峽庫(kù)區(qū)地表生態(tài)過(guò)程野外科學(xué)觀測(cè)研究站，重慶 405400) (3：重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331) (4：重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030)

河流是連接陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵通道，每年向海洋輸送大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)維持全球物質(zhì)循環(huán)具有重要意義[1-3]. 過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)，為充分利用河流灌溉、發(fā)電、防洪、航運(yùn)等多種生態(tài)功能，服務(wù)于人類社會(huì)發(fā)展，筑壩成為全球各地河流開(kāi)發(fā)的重要舉措. 據(jù)估計(jì)，當(dāng)前全球已建各類大壩超過(guò)70000座，加上各類小型水庫(kù)、堰塘等，總庫(kù)容超過(guò)15000 km3，相當(dāng)于全球河流年徑流總量的約27%[4-5]. 在全球范圍內(nèi)，超過(guò)一半的河流受到水電開(kāi)發(fā)或筑壩攔截的影響[6]，其中1000 km以上河流中63%的河段轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鞫位蜢o水段[7]. 筑壩蓄水后河流的水力學(xué)連續(xù)性和縱向連通性發(fā)生根本性改變，導(dǎo)致河流物質(zhì)、能量的重新分配，影響河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能. 其中，大壩的攔截作用對(duì)河流生源要素(碳、氮、磷、硅等)的分布格局、輸移通量、組成結(jié)構(gòu)(化學(xué)計(jì)量比)以及生物地化循環(huán)過(guò)程影響最為突出[2, 8]. Jossete等[9]研究發(fā)現(xiàn)法國(guó)Seine River上游流域筑壩滯留了60%的磷酸鹽. 據(jù)模型估算，全球大壩攔截約26%的沉積物通量和20%～90%的生源要素通量[10-11]. 而筑壩在攔截顆粒態(tài)生源物質(zhì)的同時(shí)，滯留的生源物質(zhì)部分經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后能夠再次釋放進(jìn)入水體，顯著改變了水體溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源、分布及化學(xué)計(jì)量比特征[12]，對(duì)河流藻類類群組成[13]及水環(huán)境的演化特征[14]產(chǎn)生較大影響，成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要驅(qū)動(dòng)[15]. 因此，筑壩蓄水的水環(huán)境效應(yīng)，特別是養(yǎng)分滯留及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1,8]. 隨著全球能源需求的不斷增加，水電開(kāi)發(fā)在全球快速發(fā)展，其帶來(lái)的流域生源要素的分配格局和遷移轉(zhuǎn)化特征的變化仍然是當(dāng)前研究的重點(diǎn).

梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)是指在比降較大的山區(qū)河流自上游向下游呈階梯狀修建一系列大壩，以充分利用水位落差帶來(lái)的水能資源[16]. 與單一水庫(kù)相比，梯級(jí)筑壩的河流水文水動(dòng)力過(guò)程、熱量傳輸及生源要素滯留等受到大壩群聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的交疊影響，促使河流生態(tài)要素的縱向變化模式具有復(fù)雜性和不確定性[17-18]. Barbosa等[19]基于河流連續(xù)性和單一筑壩形成的河流非連續(xù)性概念，提出了梯級(jí)水庫(kù)連續(xù)體的模型，并指出梯級(jí)水庫(kù)由于水量、物質(zhì)等的上下承接關(guān)系，對(duì)河流生態(tài)要素的縱向序列及生源要素的攔截、分解和輸移等的影響可能存在“累積效應(yīng)”. 隨后研究發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)筑壩導(dǎo)致河流生物群落均質(zhì)化[20]，水體溫度逐級(jí)升高，濁度逐級(jí)下降，生源物質(zhì)組成與通量持續(xù)改變[21]. Chen等[22]研究發(fā)現(xiàn)，瀾滄江上游梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)導(dǎo)致水體無(wú)機(jī)氮濃度從上游向下游存在明顯的累積增加的現(xiàn)象. 李哲等[18]認(rèn)為，由于梯級(jí)水庫(kù)的養(yǎng)分滯留具有增殖效應(yīng)并形成了系列生物地化熱點(diǎn)，加速溶解性養(yǎng)分釋放，導(dǎo)致河流水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)可能逐級(jí)增強(qiáng). 上游水庫(kù)中生源要素的攔截和生物分解，使得大壩下泄排水過(guò)程中溶解性碳、氮向下游輸移和再富集，是下游水體養(yǎng)分可利用性及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)的重要機(jī)制[15,23]. 這些研究均認(rèn)為梯級(jí)筑壩對(duì)河流水環(huán)境演化影響存在“累積效應(yīng)”. 然而，生源要素在梯級(jí)串聯(lián)的水庫(kù)中的行為過(guò)程還受各水庫(kù)自身的庫(kù)容、水力負(fù)荷及滯留時(shí)間等顯著影響[8,18,24]. 例如王昱等[25]研究發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)水庫(kù)群的庫(kù)容與水質(zhì)因子之間呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系. 因此水庫(kù)群的排列特征可能干擾水環(huán)境因子的沿程累積規(guī)律. 同時(shí)，由于碳氮磷在筑壩河流中的滯留、生物轉(zhuǎn)化及循環(huán)效率存在差異[26]，因此梯級(jí)筑壩的水環(huán)境累積效應(yīng)存在對(duì)象的不確定性. 梯級(jí)筑壩下不同養(yǎng)分累積特征的差異將導(dǎo)致養(yǎng)分賦存形態(tài)及化學(xué)計(jì)量特征的空間分異，并進(jìn)一步影響水環(huán)境演化模式. 除此之外，水庫(kù)對(duì)河流生源要素累積效應(yīng)的形成還取決于河流系統(tǒng)對(duì)筑壩干擾的消納能力[18]. 因此，梯級(jí)開(kāi)發(fā)的河流水體碳氮磷及其不同賦存形態(tài)的空間分布格局可能并非簡(jiǎn)單的梯級(jí)衰減或增加的“累積效應(yīng)”，而是受眾多因子的共同影響. 揭示梯級(jí)筑壩對(duì)水體生源要素及生物過(guò)程影響的“累積效應(yīng)”及其形成機(jī)制是闡明河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要內(nèi)容，對(duì)梯級(jí)筑壩下水環(huán)境演化及水生態(tài)安全的調(diào)控具有重要意義.

目前為止，盡管國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了大量梯級(jí)筑壩河流水環(huán)境演化的研究[27]，我國(guó)學(xué)者在烏江[26]、瀾滄江-湄公河[21]、貓?zhí)覽28]、黑河[25]等也開(kāi)展了相關(guān)研究，但大多以大型河流為主，相關(guān)結(jié)論還受到流域環(huán)境改變的強(qiáng)烈干擾，在小流域高密度的梯級(jí)筑壩河流中鮮見(jiàn)報(bào)道. 流程短而水電開(kāi)發(fā)強(qiáng)烈的小尺度河流，其生態(tài)要素受陸域環(huán)境變化干擾小，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間演變可能形成了連續(xù)穩(wěn)定的縱向序列[19]. 因此開(kāi)展其水體生源要素空間分布格局及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)分析，能夠更好地識(shí)別梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境演化的“累積效應(yīng)”及其形成機(jī)制，是水庫(kù)生態(tài)學(xué)的有益補(bǔ)充. 我國(guó)西南山區(qū)超過(guò)60%的河流受到梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)的影響，絕大多數(shù)位于中小型河流[29]. 本研究選取重慶市五布河為研究對(duì)象，對(duì)流域串聯(lián)分布的水庫(kù)群及其入庫(kù)河段、下泄水系統(tǒng)進(jìn)行表層水體碳氮磷形態(tài)及濃度的季節(jié)性分析，從流域尺度和河段尺度(河流-水庫(kù)-下泄水尺度)對(duì)水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)影響下水體碳氮磷分布格局及賦存形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合梯級(jí)水庫(kù)群水力特征，旨在揭示梯級(jí)開(kāi)發(fā)下河流水體生源要素分配的累積效應(yīng)及形成機(jī)制，進(jìn)一步評(píng)估養(yǎng)分梯級(jí)累積帶來(lái)的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn). 本研究的開(kāi)展可為梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)下水環(huán)境管理提供有益的參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

五布河發(fā)源于重慶市萬(wàn)盛區(qū)金子山，流經(jīng)綦江區(qū)、巴南區(qū)，于巴南木洞鎮(zhèn)注入長(zhǎng)江. 全流域由干流和二圣河、鴨溪河、蘆溝河三大支流組成. 五布河主河道長(zhǎng)度為84.4 km，首尾總落差596.7 m，河床平均坡降3.75‰，流域總面積873 km2. 全流域干支流總長(zhǎng)380.7 km，河口平均流量13.11 m3/s，總徑流量4.14億m3. 流域地勢(shì)南高北低，屬低山深丘地帶. 自1968年，五布河共經(jīng)歷4輪水能資源開(kāi)發(fā)，共建梯級(jí)水電站18座，裝機(jī)容量12 MW，發(fā)電量10512萬(wàn)kW/h. 流域處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)、雨熱同期，年平均氣溫18.3℃，多年平均降水量1133 mm，降雨充沛但年內(nèi)分配不均，5-9月汛期占全年降雨量的67.0%[30].

1.2 采樣設(shè)計(jì)與樣品采集

根據(jù)流域水庫(kù)分布及水文特征，選取沿五布河干流上游至下游分布的5個(gè)梯級(jí)電站(查爾巖電站、小觀電站、江鶴電站、錫灘電站、楊家洞電站)及支流上3個(gè)代表性電站(二圣電站、尖山電站、磨坊大壩)為研究對(duì)象開(kāi)展調(diào)查，根據(jù)每個(gè)水庫(kù)筑壩和回水長(zhǎng)度，選擇入庫(kù)河流段、水庫(kù)段、下泄水段進(jìn)行斷面設(shè)置(圖1). 水庫(kù)斷面采樣均在大壩壩址前完成，下泄水?dāng)嗝嬖O(shè)置在大壩下游200 m范圍內(nèi)，河流段斷面設(shè)置充分考慮水庫(kù)回水距離及河流水文情況確定，具體位置見(jiàn)表1. 圖1所示w1～w3、w4～w6、w7～w9、w10～w12、w13～w15分別表示干流上游至下游連續(xù)梯級(jí)分布的河流-水庫(kù)-下泄水系統(tǒng)的采樣斷面示意，w16表示五布河河口斷面；e1～e3、y1～y3、l1～l3分別表示二圣河、鴨溪河及盧溝溪3條支流下游水庫(kù)的調(diào)查斷面，共25個(gè)調(diào)查斷面. 表1列出了8個(gè)梯級(jí)水庫(kù)系統(tǒng)的基本特征，大部分水庫(kù)建設(shè)于距今30～40年前，庫(kù)容較小，水力滯留時(shí)間遠(yuǎn)小于其他大型水庫(kù)[24].

圖1 五布河采樣斷面分布Fig.1 Sampling sites distribution in Wubu River

表1 研究區(qū)水庫(kù)基本信息*

于2014年9月1-17日、12月3-8日和2015年3月14-21日、6月21-25日，對(duì)不同斷面表層水體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和采樣分析，每次選擇晴天或降雨后3 d以上采樣. 每個(gè)采樣斷面設(shè)置河道中心和左右兩側(cè)河岸2～3 m處的3個(gè)重復(fù)采樣點(diǎn)，利用有機(jī)玻璃采樣器采集500 mL表層水樣裝入采樣瓶中，置于4℃冰箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室分析，3 d內(nèi)完成指標(biāo)測(cè)定. 現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)，利用矯正的多參數(shù)水質(zhì)分析儀Manta TM 2(Eureka Company，USA)測(cè)定原位表層水體水溫、pH、電導(dǎo)率(EC)、葉綠素a(Chl.a)、溶解氧(DO)和濁度(Turb)，精度分別為±0.01℃、±0.01、±0.01 μS/cm、±0.01 μg/L、±0.01 mg/L、±0.1 NTU.

考慮到懸移質(zhì)泥沙濃度對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物輸移、轉(zhuǎn)化的重要影響，在未對(duì)水體泥沙濃度進(jìn)行觀測(cè)的背景下，本研究采用濁度數(shù)據(jù)估算了水體懸浮顆粒物濃度，在一定程度上能夠反映水體懸移質(zhì)水平.

SS=1.1615Turb +1.2574 (R2=0.9767)

(1)

式中，SS為懸浮顆粒物濃度(mg/L)，Turb為濁度(NTU)，R2表示二者線性關(guān)系的擬合度. 本研究個(gè)別水庫(kù)斷面在春、夏季出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，可能對(duì)水體濁度-SS關(guān)系產(chǎn)生干擾，因此分析具有局限性.

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法

1.4 富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

EIj=10.77(lnxj)1.1826

(2)

(3)

式中，EIj為指標(biāo)j的水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)，xj為指標(biāo)j的“規(guī)范值”，wj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)重值，本研究將各指標(biāo)視作等權(quán)重.

原始數(shù)據(jù)在Excel 2019中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理與計(jì)算，應(yīng)用SPSS Statistics 23進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有統(tǒng)計(jì)顯著性水平為P<0.05. 采用ArcGIS繪制研究區(qū)圖，Graphpad 8.0制作結(jié)果分析圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 基本物理、化學(xué)及生物參數(shù)

各斷面水體基本理化參數(shù)如圖2所示，水溫在12.6～28.5℃之間，平均為21.3℃；pH在7.47～9.21之間，平均為8.05，水體整體偏堿性；干流水體溫度與pH自上游向下游均略有升高；水體DO濃度在5.3～12.8 mg/L之間，平均為7.8 mg/L，下游斷面DO略高于上游，水庫(kù)斷面DO普遍高于入庫(kù)河流段. 電導(dǎo)率能夠反映水體離子濃度的狀況，五布河流域水體電導(dǎo)率在260～582 μS/cm之間，呈強(qiáng)烈的空間變異性，下游水庫(kù)水體電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于上游水庫(kù). 此外，水體濁度變化范圍為1.4～176.4 NTU，且呈現(xiàn)出沿水流方向明顯下降，豐水期(夏秋季)略高于枯水期(冬春季)；水體Chl.a濃度(0.9～51.5 μg/L)在春秋季變異性較強(qiáng)(圖2)，下游水庫(kù)(R4、R5、R6、R7)在春季和秋季均出現(xiàn)不同程度的水華. 圖2可見(jiàn)，梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)五布河干流水體溫度、pH、離子濃度等要素的影響呈現(xiàn)一定的沿程累積特征.

圖2 五布河表層水體基本理化參數(shù)時(shí)空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of basic physical and chemical parameters ofsurface water in Wubu River

2.2 碳氮磷濃度及時(shí)空變化

圖3 五布河表層水體碳氮磷的空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in surface water of Wubu River

圖4 溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的占比Fig.4 The proportion of dissolved nutrients

圖5 五布河表層水體碳氮磷的時(shí)間分布Fig.5 Temporal distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in surface water of Wubu River

2.3 五布河水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 水體氮磷比(N∶P)的空間分異 N∶P是影響浮游植物生物量以及藻類群落結(jié)構(gòu)的重要因素，也是影響水體藻類水華暴發(fā)的重要指標(biāo)[33]. 一般而言，水體N∶P<7～10 時(shí)，水體中的浮游植物表現(xiàn)為氮限制狀態(tài)，當(dāng)N∶P>23～30 時(shí)，水體中的浮游植物表現(xiàn)為磷限制，當(dāng)N∶P介于兩者之間時(shí)，為浮游植物生長(zhǎng)的最佳范圍，易造成水體水華暴發(fā)[34]. 五布河流域水體N∶P變化范圍為7.85～65.05(圖6a)，結(jié)合水體氮磷濃度特征分析，干流水體大多屬于磷限制，支流水體大部分為水華高風(fēng)險(xiǎn)斷面. 梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)影響下，五布河干流水體N∶P表現(xiàn)出沿程降低趨勢(shì)，下游庫(kù)區(qū)略低于上游(圖6a). 隨著磷元素在下游水體的逐級(jí)累積(圖3)，將進(jìn)一步增大下游水庫(kù)的水華風(fēng)險(xiǎn).

圖6 五布河水體N∶P和水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)Fig.6 N∶P ratio and water eutrophication index in Wubu River

2.3.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)(EI)的時(shí)空特征 五布河干、支流各監(jiān)測(cè)斷面水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的時(shí)空分布如圖6b所示. 依據(jù)對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式各級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，除個(gè)別斷面外，五布河流域大部分?jǐn)嗝嫒昃幱诟粻I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(35.1～58.7)，富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較大. 同時(shí)，在五布河干流水體EI指數(shù)自上游向下游呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，下游庫(kù)區(qū)水體EI指數(shù)明顯高于上游庫(kù)區(qū)，而且在單個(gè)河流-水庫(kù)-下泄水系統(tǒng)中，水庫(kù)段EI指數(shù)普遍高于下泄水和入庫(kù)河流段. 由于水庫(kù)段光熱條件及水動(dòng)力條件均有利于藻類繁殖，因此梯級(jí)水庫(kù)系統(tǒng)可能導(dǎo)致河道形成一系列串聯(lián)的藻華增殖區(qū)，進(jìn)而影響全流域生態(tài)安全.

2.4 水環(huán)境因子時(shí)空演變關(guān)聯(lián)性及水力學(xué)驅(qū)動(dòng)

圖7 五布河水體碳、氮、磷濃度及其他參數(shù)之間的 Pearson 相關(guān)性 (*表示顯著性水平P<0.05， **表示顯著性水平 P<0.01)Fig.7 Pearson correlation coefficients among carbon， nitrogen， phosphorus concentrations and other parameters of the water in Wubu River(* signifying significance level P<0.05, ** signifying significance level P<0.01)

表2 五布河水體碳、氮、磷濃度及溶解性養(yǎng)分占比與水體懸浮顆粒物濃度的相關(guān)性分析

Tab.2 Pearson correlation analysis between the concentration of C, N, P, fraction of dissolved nutrients with suspended solids in surface water of Wubu River

時(shí)間TNNO-3-NNH3-NTONTPDTPPO3-4-PPOP全年r-0.293-0.120-0.170-0.2550.258-0.0700.0480.343P0.0030.2330.0910.0100.0100.4910.6370秋季r-0.373-0.088-0.347-0.283-0.222-0.200-0.216-0.147P0.0660.6770.0900.1710.2870.3380.3000.482冬季r-0.1220.3100.247-0.3300.133-0.0270.1080.218P0.5620.1310.2340.1320.5260.8970.6060.295春季r0.4180.4120.6420.0780.6670.070-0.2690.730P0.0380.0410.0010.71000.7400.1930夏季r-0.374-0.2620.515-0.2440.6260.5410.7060.458P0.0660.2060.0080.2400.0010.00500.021時(shí)間DOCDICTOCPOCPO3-4∶TPDOC∶TOCTIN∶TN全年r-0.193-0.011-0.347-0.145-0.280-0.051-0.215P0.0890.91300.1500.0160.6150.041秋季r-0.2140.203-0.593-0.3290.114-0.0990.194P0.1110.3310.0020.1080.5880.6370.352冬季r-0.152-0.237-0.2240.0640.007-0.2210.398P0.4670.2530.2820.7610.9730.2890.049春季r0.4610.039-0.1050.078-0.633-0.2000.138P0.0200.8550.6180.7130.0010.3370.512夏季r0.224-0.2960.2700.1650.110-0.0090.119P0.2820.1510.1920.4290.5990.9680.571

圖8 水力滯留時(shí)間與各生源要素分布格局的關(guān)系Fig.8 The relationship between the hydraulic retention time and the distribution pattern of carbon， nitrogen and phosphorus

圖9 水力滯留時(shí)間與EI和葉綠素a濃度的相關(guān)關(guān)系Fig.9 Relationship between hydraulic retention time and EI, chlorophyll-a

3 討論

3.1 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)下五布河流域水體生源要素的沿程累積

水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)使得河流“原始連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)”被系列串珠狀“河流-水庫(kù)連續(xù)體”所取代，迫使河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生徹底改變，影響流域水文水動(dòng)力條件以及生源物質(zhì)的輸移與分配，進(jìn)而導(dǎo)致流域水體物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變[8,35]. 已有研究表明，梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)河流水生態(tài)因子的影響可能存在逐級(jí)“累積效應(yīng)”[36-37]，例如顆粒懸浮物攔截率隨梯級(jí)筑壩逐漸增加，導(dǎo)致水體濁度逐級(jí)下降；水庫(kù)的熱量延滯效應(yīng)導(dǎo)致水溫沿程升高[38]；水體各類離子及污染物濃度逐級(jí)累積和水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)加重[36]等. 本研究中，五布河水體濁度沿干流逐級(jí)下降，溫度、pH均有逐級(jí)升高的趨勢(shì)(圖2). 王萬(wàn)發(fā)等[14]研究指出，梯級(jí)筑壩導(dǎo)致水體碳代謝過(guò)程和碳酸鹽平衡改變，進(jìn)而影響水庫(kù)和下泄水的pH值，且這種影響在梯級(jí)水庫(kù)間存在傳遞效應(yīng). 本研究五布河上下游海拔高差較大，水溫的變化可能與海拔降低有關(guān). 但從河流-水庫(kù)-下泄水溫度的普遍增加的現(xiàn)象看，水庫(kù)的熱量存儲(chǔ)對(duì)水溫的沿程增加可能具有一定的累積影響. 此外，本研究水體電導(dǎo)率沿上游向下游水庫(kù)呈現(xiàn)明顯增加(圖2)，與王昱等[25]在黑河流域研究結(jié)果一致. 因此，從水體理化性質(zhì)看，梯級(jí)筑壩對(duì)五布河水生生境可能產(chǎn)生了一定的“累積影響”.

梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)增強(qiáng)了水體懸浮顆粒物攔截和滯留，導(dǎo)致下游水體生源要素(尤其POC、顆粒有機(jī)氮、POP等)可能出現(xiàn)不同程度的衰減[14,39-40]. 然而，五布河梯級(jí)水庫(kù)表層水體生源要素的總量(TOC、TN、TP)均沿上游向下游呈明顯增加的空間分布模式(圖3)，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為梯級(jí)水庫(kù)攔截顆粒物導(dǎo)致下游生源要素濃度降低的結(jié)論相悖[28,41]，但與程豹等[21-22,25]等的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致. 梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)帶來(lái)的光熱條件與水動(dòng)力條件改變，導(dǎo)致水體初級(jí)生產(chǎn)增強(qiáng)(圖2). 浮游植物生長(zhǎng)代謝固定無(wú)機(jī)碳，補(bǔ)給了水體TOC濃度. 喻元秀等[42]研究指出，梯級(jí)筑壩影響下烏江流域水體有機(jī)碳濃度受上層光合作用和下層呼吸作用的共同調(diào)控. 本研究中，相關(guān)分析結(jié)果顯示五布河水體TOC、DOC與Chl.a呈極顯著的正相關(guān)，而TIC與Chl.a呈負(fù)相關(guān)(圖7)，肯定了水體內(nèi)源初級(jí)生產(chǎn)對(duì)碳的空間變異具有一定的解釋力. 而且，水庫(kù)中內(nèi)源生物質(zhì)有機(jī)碳更易形成懸濁態(tài)而不易沉積[43]，為梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)下TOC的沿程累積提供了可能. 從單個(gè)“河流-水庫(kù)-下泄水”系統(tǒng)看，水庫(kù)段Chl.a、TOC、POC及DOC濃度均明顯高于其對(duì)應(yīng)的入庫(kù)河流段(圖3)，形成了連續(xù)的“有機(jī)碳泵”效應(yīng). 這種由筑壩引起的生物碳泵效應(yīng)在喀斯特河流中被廣泛提出，在梯級(jí)水庫(kù)中具有連續(xù)累積特征[12]. 此外，本研究中水體DOC濃度及其在TOC占比呈現(xiàn)明顯的梯級(jí)增長(zhǎng)(圖4)，且流域內(nèi)各水庫(kù)和下泄水?dāng)嗝鍰OC∶TOC(69.21%、71.52%)顯著高于河流段(60.09%)，均明顯高于全球平均值(55.3%)[44]，違背了季風(fēng)區(qū)河流攜帶的顆粒碳較多的一般規(guī)律. 這可能歸因于筑壩導(dǎo)致藻類及微生物富集有利于水體DOC的積累[45]和顆粒碳在梯級(jí)水庫(kù)中的沉積. Shi等[46]的研究中就指出，梯級(jí)水庫(kù)水體細(xì)菌豐度的顯著增加是導(dǎo)致DOC濃度逐級(jí)增加的重要原因. 由此推斷，梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)下，庫(kù)區(qū)段水體生物碳泵作用的改變可能是導(dǎo)致五布河TOC與DOC逐級(jí)增加的重要機(jī)制(圖10).

圖10 小型梯級(jí)水庫(kù)中碳氮磷的協(xié)同演化關(guān)系的調(diào)控過(guò)程Fig.10 Regulation process of co-evolution of carbon, nitrogen and phosphorus in small cascade reservoirs

3.2 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)下流域水環(huán)境因子的協(xié)同演變及水力學(xué)驅(qū)動(dòng)

筑壩顯著改變了河流水文水動(dòng)力條件、光熱分布以及養(yǎng)分輸送等，形成了特定的河-庫(kù)生境，進(jìn)而發(fā)展出不同的生物群落、生產(chǎn)力格局以及生源物質(zhì)的循環(huán)模式[18]. 基于“梯級(jí)水庫(kù)連續(xù)體”概念框架[19]，梯級(jí)水庫(kù)驅(qū)動(dòng)下河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能要素存在同步“累積”變化，可能導(dǎo)致水環(huán)境因子之間呈現(xiàn)新的關(guān)聯(lián)性. 本研究發(fā)現(xiàn)，盡管水體各生源要素總量(TN、TP及TOC)在梯級(jí)水庫(kù)間均呈現(xiàn)明顯的“累積”，但三者之間相關(guān)性并不顯著(圖8)，表現(xiàn)出時(shí)空配置的非同步性. 這主要?dú)w因與于筑壩河流非平衡化學(xué)計(jì)量比沉積[43]以及生源要素生物地化行為的差異. 研究認(rèn)為，水庫(kù)對(duì)P的攔截效率較高(可達(dá)80%以上)，而對(duì)N的攔截率最弱[8]，導(dǎo)致下游河流氮磷濃度的“解關(guān)聯(lián)”[55]. 梯級(jí)筑壩下水力滯留時(shí)間的延長(zhǎng)和泥沙濃度的衰減可能進(jìn)一步增強(qiáng)養(yǎng)分“解關(guān)聯(lián)效應(yīng)”[56].

3.3 梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)河流生源要素季節(jié)變化模式的影響

由圖5可見(jiàn)，五布河流域水體C、N、P濃度具有不同程度的季節(jié)變化，其中TOC、DOC濃度呈現(xiàn)春季最高，冬季最低的季節(jié)模式. 河流中有機(jī)碳的來(lái)源通常包括內(nèi)源和異源兩部分，異源性有機(jī)碳主要來(lái)自陸地土壤侵蝕及植物殘?bào)w的徑流輸入，內(nèi)源性有機(jī)碳則主要是水生生物和浮游微生物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物. 五布河處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季低溫少雨，土壤侵蝕帶來(lái)的碳輸入較少，內(nèi)源水體生物代謝較弱，因此有機(jī)碳濃度最低；而春季降雨稀少，異源性有機(jī)碳輸入較弱，但梯級(jí)筑壩導(dǎo)致浮游生物的大量繁殖補(bǔ)給內(nèi)源性有機(jī)碳，因此有機(jī)碳濃度較高. 劉金科等[60]對(duì)九龍江的研究中，水庫(kù)筑壩后浮游植物的生物量決定了九龍江河水中DOC的濃度的季節(jié)變化. 本研究水體TIC濃度在春季最低也進(jìn)一步佐證了浮游植物光合作用固定TIC，而補(bǔ)給了DOC和TOC(圖5)，這與楊夢(mèng)迪等[61-62]的研究結(jié)果相似. 盡管夏季與秋季高溫多雨導(dǎo)致異源性有機(jī)碳輸入增多，但一方面，山區(qū)河流匯流快、流量大，外源碳輸入多為POC，在梯級(jí)水庫(kù)群作用下大量沉積；另一方面，高溫帶來(lái)的異養(yǎng)呼吸增強(qiáng)，特別是淺水型河流中有機(jī)碳被快速分解；此外，徑流的快速匯入對(duì)河流水體生源要素濃度產(chǎn)生強(qiáng)烈稀釋效應(yīng)，因此夏秋季水體TOC、DOC濃度普遍較低. 從不同水文斷面來(lái)看，河流段、水庫(kù)段及下泄水段水體碳濃度的季節(jié)模式一致，但春季水庫(kù)段有機(jī)碳濃度遠(yuǎn)高于河流段，冬、夏季則沒(méi)有明顯差異. 表明梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)影響下流域出現(xiàn)階段性浮游生物增殖熱點(diǎn)，導(dǎo)致河流水體內(nèi)源性有機(jī)碳在不同季節(jié)出現(xiàn)分異.

3.4 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)下流域水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)變化

水體富營(yíng)養(yǎng)化是筑壩河流面臨的最重要的生態(tài)威脅[15]. 河流筑壩導(dǎo)致水文情勢(shì)變化以及光熱分層為水體藻華生長(zhǎng)提供了良好的條件，加之營(yíng)養(yǎng)物的攔截和釋放，水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)大大提高[8]. 梯級(jí)筑壩干擾下，五布河表層水體營(yíng)養(yǎng)物呈現(xiàn)顯著的逐級(jí)累積，且水庫(kù)段溶解性營(yíng)養(yǎng)物濃度普遍高于河流段，具備了水華的條件. 根據(jù)EI指數(shù)評(píng)價(jià)，五布河大部分監(jiān)測(cè)斷面全年處于高富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)(圖6). 特別是，EI指數(shù)的空間特征與碳氮磷濃度分布相似，呈自上游庫(kù)區(qū)向下游逐級(jí)增加的趨勢(shì)，表明梯級(jí)筑壩增強(qiáng)了下游水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn). 同時(shí)，N∶P作為水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)[32]，影響水體藻類及其他浮游生物群落結(jié)構(gòu). 從N∶P分析可見(jiàn)，水體大部分?jǐn)嗝鍼限制較為明顯，因此控制外源P輸入對(duì)五布河流域富營(yíng)養(yǎng)化防控具有重要意義. 然而，由圖3可見(jiàn)，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)P的累積效應(yīng)更顯著，將加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn). 同時(shí)，五布河下游3條支流上的水庫(kù)N∶P比均為浮游植物生長(zhǎng)的最佳范圍，具有極高的水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn). 隨著支流的不斷輸入，可能進(jìn)一步加劇干流下游水庫(kù)的水質(zhì)惡化. 同時(shí)，梯級(jí)水庫(kù)水體N∶P自上游至下游相對(duì)平穩(wěn)(下游水體P限制有一定緩解)，加之生境條件的均質(zhì)化，水體藻類類群組成也可能出現(xiàn)同質(zhì)性. 進(jìn)一步分析水力滯留時(shí)間與EI指數(shù)、葉綠素a的關(guān)系表明(圖9)，水力滯留時(shí)間是調(diào)控EI指數(shù)及葉綠素a空間分異的關(guān)鍵因素. 這與前文所述水力滯留時(shí)間影響營(yíng)養(yǎng)鹽分配格局的結(jié)論一致. 因此，五布河水質(zhì)保護(hù)管理中，梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)顯著增加了水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，水力滯留時(shí)間的調(diào)控和P輸入控制是流域富營(yíng)養(yǎng)化防控的關(guān)鍵，也是未來(lái)梯級(jí)筑壩的小流域綜合管理的有效路徑.

4 結(jié)論

1)五布河梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)水環(huán)境演化具有重要影響，梯級(jí)水庫(kù)群初級(jí)生產(chǎn)增強(qiáng)是導(dǎo)致TOC和DOC濃度沿程增加的主導(dǎo)因素；同時(shí)，梯級(jí)水庫(kù)可能形成一系列氮磷“蓄積庫(kù)”和“反應(yīng)器”，促使溶解性氮磷釋放和下泄輸移，加之下游水庫(kù)泥沙對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸附-沉積效應(yīng)的減弱，導(dǎo)致氮磷沿程積累及溶解性養(yǎng)分的比例逐級(jí)升高.

2)梯級(jí)筑壩降低了流域水體碳氮磷總量間的相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)出養(yǎng)分總量的“解關(guān)聯(lián)”，但增強(qiáng)了溶解性養(yǎng)分的協(xié)同演化關(guān)系. 水體Chl.a濃度與水體養(yǎng)分濃度呈顯著的相關(guān)關(guān)系，梯級(jí)筑壩下水環(huán)境之間形成了復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系；水力滯留時(shí)間是影響五布河梯級(jí)水庫(kù)間養(yǎng)分分異的關(guān)鍵因素.

4)五布河全流域均為高富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，由于養(yǎng)分的逐級(jí)增加，下游水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)；外源P輸入控制以及梯級(jí)水庫(kù)水力滯留時(shí)間的調(diào)控是五布河流域富營(yíng)養(yǎng)化防控的關(guān)鍵.